一、NAT的介绍以及作用

二、NAPT的介绍以及作用

三、NAT vs NAPT

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一、NAT的介绍以及作用

1.1 NAT的介绍

        NAT（Network Address Translation）是一种广泛应用于互联网的技术，主要用于解决IPv4地址耗尽问题，同时提供网络安全和网络管理功能。它通过将私有网络内部的设备地址转换为公共网络地址，使多个内部设备共享单个公网IP，显著提升了IP地址的利用率。

1.2 为什么要有NAT

        IPv4 是一个32位的整数，最多可以表达40亿多的IP地址，相对于全球众多的需要联网的设备，ip地址不够用。IPv6可以解决IP不够用的问题，但目前的众多网络设备广泛支持IPv4。

1.3 NAT的核心原理

1. 基本思想

• 私有网络：企业/家庭内部使用非公网IP段（如192.168.x.x、10.x.x.x、172.16.x.x至172.31.x.x）。
• 公网IP：全球唯一的IPv4地址，用于与互联网通信。
• NAT设备（如路由器、防火墙）负责在数据包转发时进行地址转换。

2. 工作流程

• 入站流量：外部请求到达NAT设备，根据目标端口和协议映射到内部设备的私网IP。
• 出站流量：内部设备发起请求时，NAT设备将私网IP替换为公网IP，并记录映射关系（如端口）。
• 数据包转发：经转换后的数据包通过公网路由至目标，返回时NAT设备反向映射，确保流量正确送达内部设备。

1.4 NAT的主要类型

1.4.1 静态NAT（Static NAT）

• 一对一映射：固定私网IP对应唯一公网IP及端口。
• 典型场景：Web服务器对外提供服务，需稳定公网IP访问。

1.4.2 动态NAT

• 临时映射：从公网IP池中动态分配未使用的端口和IP组合。
• 适用场景：有限公网IP需支持多个内部设备间歇性上网。
• 限制：公网IP数量决定并发连接数。

动态NAT基于地址池来实现私有地址与公有地址的转换。

当内部主机A和B需要访问公网IP时，网关RTA会从配置的公网地址池中选取一个未使用的公网ip作为映射。每台主机都会分配到地址池中的一个唯一地址。当不需要此连接时，对应的地址映射会被删除，公网地址也恢复到地址池待用。网关收到回复报文后，也会执行静态地址转换。

动态NAT中的地址池用尽后，只能等待被占用的公用IP被释放后，其他主机才能使用它访问公网

1.5 NAT的应用场景

1. IPv4地址短缺

• 全球IPv4地址耗尽（约43亿），NAT允许多设备共享单一公网IP。

2. 网络安全

• 隐藏内部网络拓扑，抵御外部攻击（如DDoS、端口扫描）。

3. 灵活扩展

• 无需重新分配公网IP即可新增内部设备。

4. 远程访问

• VPN结合NAT实现安全远程连接（如企业内网访问）。

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二、NAPT的介绍以及作用

2.1 NAPT的介绍

        NAPT（网络地址端口转换）是NAT（网络地址转换）技术的扩展，不仅转换网络地址（IP），还通过端口映射区分不同内部设备。它是现代网络中实现多设备共享单一公网IP的核心技术，广泛应用于家庭宽带、企业内网和云服务。

2.2 NAPT的核心概念

1. 定义

• NAPT将私有网络中的多个设备（不同IP或相同IP+不同端口）映射到公网IP的唯一端口组合，通过IP+端口的双重转换实现流量区分。

2. 关键技术

• IP转换：私有IP → 公网IP。
• 端口映射：私有端口 → 公网端口（如TCP/UDP端口号）。
• 状态跟踪：记录每个映射关系的会话状态（如TCP三次握手、UDP连接）。

2.3 NAPT的工作原理

1. 数据包处理流程

• 出站流量：

1. 私有设备发起请求（如192.168.1.2:80→google.com:80）。
2. NAPT设备分配公网端口（如203.0.113.1:65432）。
3. 数据包头部修改为公网IP+端口，发送至互联网。

• 入站流量：

1. 互联网返回数据包（目标203.0.113.1:65432）。
2. NAPT设备根据端口反向查找私有设备（192.168.1.2:80）。
3. 数据包还原为私有网络格式，转发至目标设备。

2. 状态表（State Table）
NAPT维护会话状态表，记录以下信息：

• 私有IP + 私有端口 → 公网IP + 公网端口
• 协议类型（TCP/UDP）
• TCP序列号（仅TCP）
• 生存时间（TTL）

示例：

2.4 NAPT的类型

1. 基于端口的NAPT

• 动态端口分配：为每个内部设备分配唯一公网端口（如TCP 1024-65535）。
• 典型场景：家庭路由器、小型企业网络。

2. 基于协议的NAPT

• 按协议分流：如TCP流量走80端口，UDP流量走53端口。
• 适用场景：混合协议服务（如HTTP+DNS）。

3. 基于VPN的NAPT

• 隧道封装：在VPN隧道中嵌入NAPT（如OpenVPN结合端口转发）。
• 用途：远程办公、安全访问内网资源。

2.5 NAPT的应用场景

1. 家庭宽带

• 多台手机、电脑共享一个公网IP，通过路由器自动分配端口。

2. 企业内网

• 隐藏内部服务器IP（如数据库、OA系统），仅暴露必要端口。

3. 云服务器

• AWS/ECS实例通过弹性公网IP（EIP）结合NAPT管理多个容器服务。

4. 网络安全

• 防止端口扫描（外部无法探测内部设备端口）。

2.6 NAPT的优缺点

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三、NAT vs NAPT